塔梁同步施工的安全防护措施

2018-06-29蔺炳辉唐立昕

筑路机械与施工机械化 2018年5期

蔺炳辉，唐立昕

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

斜拉索桥梁因其跨越能力强的优势，成为中国大跨度桥梁建设中最主要的桥型。随着社会的发展，对斜拉桥施工的要求也越来越高[1]，塔梁同步施工方法作为一种新兴的技术，具有节省工程工期和施工成本的优点。国内已有塔梁同步施工的成功案例，但由于交叉作业的限制，其安全问题需要重点关注。

目前，塔梁同步阶段采取的安全防护措施主要有搭设安全防护平台、设置安全区域、覆盖防火材料等。陈干等将有限元模型应用于九江新长江公路大桥，介绍了从安全防护棚的设计、安装、注意事项等方面保证桥塔上下同步施工的安全性；陈飞介绍了重庆东水门长江大桥正桥塔偏的控制和双层作业安全防护工作；周文等介绍了广佛江快速通道江顺大桥主桥塔柱及横梁异步施工、上塔柱与钢箱梁同步施工及液压爬模防护平台的防护技术[2]。

从相关研究成果可以看出，对于塔梁同步施工的安全防护措施多集中在防护平台设计，对材料的阻燃防护提及较少。本文以国道108线禹门口黄河公路大桥主桥塔梁同步施工为例，分析施工中存在的风险，并针对具体风险提出5种安全防护措施，有效降低施工风险，为今后类似的工程提供参考。

1 工程概况

国道108线禹门口黄河公路大桥起点位于山西省河津市国道108线禹门口公路超限检测站南侧，顺接108国道河津段改建终点，向西在抗日英雄纪念碑南侧跨越黄河，进入陕西省韩城市境内，沿既有G108线向西，经渚北村，止于上峪口超限监测站西侧，顺接G108韩城北线改建段终点，路线全长4.45 km。主桥为245 m+565 m+245 m的三跨双索面钢-混结合梁斜拉桥，全长1 055 m，采用半漂浮结构支撑体系，以及双工字型钢主梁与混凝土板共同受力的结合梁。主梁断面全宽30.25 m，桥面以上塔高约139 m。索塔采用H型桥塔，钢筋混凝土结构，设置上、下2道横梁，塔柱分为上、中、下3个部分。斜拉桥扇形布置，梁上索距为12.0、8.0、4.5 m三种，塔上索距为2.5～3.5 m，主桥总体布置如图1所示。

斜拉索采用环氧涂层钢绞线，公称直径为15.2 mm。斜拉索在主梁上采用锚拉板构造锚固，在索塔上采用钢锚梁构造锚固，张拉端均设置在塔端。每个主塔布置23对平面索，斜拉索外护套管采用同步热挤圆形截面双层HDPE管，内层为黑色，外层为白色，表面同时被挤出具有抗风雨激振的螺旋线。

图1 主桥总体布置

2 塔梁同步交叉作业的安全风险

传统的斜拉桥采取先主塔、后主梁的施工顺序，施工周期长，经济效益不明显[3]。塔梁同步施工技术采用索塔塔柱、斜拉索、主梁同时施工的立体化作业方式，上部主塔节段与下部钢箱梁、斜拉索同时施工，缩短施工周期，对资源的合理化调配等方面均起到了重要的作用[4-5]。

但是，由于塔梁同步施工重叠交叉作业面多，施工安全风险高，具体施工风险如下[6-7]。

(1)在上塔柱钢筋安装过程中，临时构件及主体结构物的施焊，将有大量焊花、焊渣产生，对此作业面以下的作业面施工人员存在烧伤风险；对此作业面以下的易燃易爆物品(如：斜拉索保护层HDPE外护套管、氧气乙炔瓶、混凝土养护土工布、塑料薄膜等)而言，焊花、焊渣将成为极大的安全隐患。

(2)上塔柱钢锚梁安装、钢筋栓接过程中，大量小型物品(直螺纹套筒、扳手、短钢筋头、焊条、小块混凝土渣等)极易从施工作业面掉落，对下方作业人员的人身安全构成威胁。

(3)在斜拉索施工的挂索、穿索过程中，钢绞线及外护套管都存在掉落的风险，对斜拉索施工范围内作业人员的人身安全构成威胁[8]。

(4)在钢梁拼装时，用到的零部件、临时物件、设备等物品如果坠落，对钢梁以下作业或过往的施工人员的安全具有威胁。

(5)钢锚梁、钢箱梁、斜拉索、桥面吊机、穿束机等大型结构构件及机械设备的起吊安装，均存在坠落风险。

3 安全防护措施

为消除或尽可能避免斜拉桥施工过程中存在的安全问题，各种形式、规模的安全防护措施层出不穷。在国道108线禹门口黄河公路大桥主桥塔梁同步施工过程中，采取的安全风险防护措施主要有以下几点。

(1)为防止施工过程中的碎小物件从施工平台掉落，在主桥爬模、主梁施工平台等作业面固定放置零碎物品归集箱，存放与施工无关的碎小物件，作业结束时存放所有可能被风吹落的零碎物品。

(2)对施工操作平台与已浇筑结构物之间的间隙，设置合页遮板，既便于施工，又可防止零碎物品或施工人员从此类风险孔洞掉落。

(3)为避免高处物体掉落发生的安全问题，可在上部施工作业面与下方施工作业面之间设置一道硬隔离。综合考虑上方施工物体随机掉落的范围与掉落角度、风向、风速等因素，将安全防护棚架设置于主桥上横梁位置处，此处可利用较少的材料搭设安全防护棚架，起到对下方施工人员、机械的大面积保护作用。

(4)由于主桥斜拉索HDPE外护套管由可燃材料制成，且主塔上部施工过程中难免有焊渣掉落，挂索与主塔同步施工极易造成斜拉索HDPE外护套管被焊渣损坏，对主体结构物的质量产生影响[9]。针对此类风险，结合大量的市场调查，最终确定采用玻璃棉(玻璃棉具有最高的防火等级，且是A级防火材料中最轻质的材料)对斜拉索HDPE外护套管进行临时包裹防护，确保其不被焊渣烧伤损坏。

(5)在塔区梁段施工过程中，仍然存在物体掉落的风险，因此在施工平台四周设置安全防护栏杆，同时在操作平台下方挂设防坠网，让掉落物体得以缓冲，减小动能，降低打击伤害。

4 防护棚架的设计与施工

4.1 防护棚架设计

塔梁同步施工最大的安全风险源来自施工作业面的重叠，尤其是塔区段钢梁拼装施工。因此，要对下部钢主梁施工作业人员、机具等物资材料设备进行封闭防护。塔区段施工完成后，主梁施工作业面与索塔平面距离增大，安全隐患逐渐减小。

拟定于主塔上横梁顶处设置1个安全防护棚架，由I45a、I16型钢、Φ20钢筋、钢丝网片搭设而成，防护范围为20.0 m×19.4 m。以12#主塔为例，按图纸给出12#防护棚架的间距，顺桥向在上横梁顶预埋钢板处布置长20 m的双拼I45a工字钢作为承重梁[10]，承重梁两端悬挑出上横梁边缘6 m，紧贴上横梁侧面每侧承重梁下端各焊接1个I40a工字钢组拼牛腿，在承重梁上按1.2 m间距横桥向布置I16工字钢作为分配梁，工字钢悬挑边缘设置一圈1.5 m高的钢管护栏，然后在分配梁上按0.5 m间距顺桥向焊接Φ20钢筋，最后铺一层钢丝直径为3 mm、网眼大小为10 mm×10 mm的钢丝网，形成防护平台。防护棚架立面布置、侧面布置如图2、3所示。

图2 防护棚架立面布置

图3 防护棚架侧面布置

4.2 防护棚架受力分析

在安全防护棚架设计过程中，通过Midas Civil结构计算软件对防护棚架进行整体建模，防护棚架与上横梁连接部分采用一般支撑处理，各型钢之间用焊接连接的构件采用刚接进行处理，部分未焊接的构件之间采用弹性连接进行处理[11-13]。整个防护棚架上部安装及加工过程中考虑人员荷载作用，按0.5 kN·m-2的压力荷载施加。安全防护棚架的Midas整体模型如图4所示。

图4 防护棚架Midas整体模型

通过计算可知，整个安全防护棚架所受的最大应力为55.7 MPa，小于设计规范容许应力215 MPa，满足要求。梁单元应力等值线分布如图5所示。

采用Midas Civil软件进行模拟，计算出整个安全防护棚架的挠度变形，最大处变形为14.5 mm，满足刚度设计要求(≤15 mm)。防护棚架整体位移等值线分布如图6所示。

图5 防护棚架Midas整体模型梁单元应力等值线分布

图6 防护棚架Midas整体模型位移等值线分布

4.3 防护棚架安装

防护棚架各构件均采用现场焊接固定，承重梁、分配梁等通过主塔2台施工塔吊吊装就位，具体安装过程如下。

(1)吊装承重梁至上横梁顶，与预埋钢板进行焊接。

(2)在便桥上焊接牛腿，共8组，吊装至承重梁底焊接。

(3)每3根分配梁为一组，在便桥上焊接完成后，利用塔吊整体吊装就位。

(4)采用Φ20钢筋将各分配梁固定。

(5)铺设钢筋网片。

(6)安装防护棚架周边防护护栏，完成防护棚架安装。

4.4 施工注意事项

(1)严禁在6级及以上风中进行安装作业。

(2)对所有焊缝进行探伤，确保焊缝质量。

(3)安全防护棚架安装、拆除时，必须有专人值班、指挥。

5 斜拉索防护

根据工期安排，在主塔塔柱施工完成前，需挂设靠近塔柱的6对斜拉索，由于工作面交叉比较复杂，施工过程中斜拉索受上塔柱施工的电焊操作及风力影响较大。

首先要确定需要防护的范围，根据自由落体的位移公式求得焊渣掉落所需时间为5.25 s，桥位处风力常年6～8级，瞬时风力可达10级，风速按照10.8～28.5 m·s-1计算，焊渣水平位移可至149.6 m。根据设计图纸，第六道斜拉索的水平投影长度为71.1 m[14]，如图7所示。由计算结果得出，6对斜拉索均在防护范围内。

图7 斜拉索防护范围

为防止塔柱施工过程中焊渣、碎屑对已安装完成的斜拉索HDPE套管、预埋钢套筒产生损伤和污染，计划从塔柱斜拉索预埋套筒根部起对斜拉索预埋钢套筒以及HDPE套管采用玻璃棉进行缠绕防护，并用细铁丝绑扎牢靠[15-16]。另外，在主塔索导管出口向外5 m范围内的拉索PE护层外加装一层0.3 mm厚不锈钢保护套管。在施工时，首先丈量拉索的实际周长和需制作的长度，制管采用折叠工艺将不锈钢皮包裹在拉索表面；保护套在上塔柱和斜拉索全部安装完成后，自上而下统一拆除。